Molecular Engineering for Large Open-Circuit Voltage and Low Energy Loss in Around 10% Non-fullerene Organic Photovoltaics

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作者
Bo He,Bin Yang,Matthew A. Kolaczkowski,Christopher L. Anderson,Liana M. Klivansky,Teresa L. Chen,Michael A. Brady,Yi Liu
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:3 (4): 1028-1035 被引量:49
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.8b00366
摘要

Recent efforts in organic photovoltaics (OPVs) have been devoted to obtaining low-bandgap non-fullerene acceptors (NFAs) for high photocurrent generation. However, the low-lying lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level in narrow bandgap NFAs typically results in a small energy difference (ΔEDA) between the LUMO of the acceptor and the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the donor, leading to low open-circuit voltage (VOC). The trade-off between ΔEDA and photocurrent generation significantly limits the simultaneous enhancement of both VOC and short-circuit current density (JSC). Here, we report a new medium-bandgap NFA, IDTT-T, containing a weakly electron-withdrawing N-ethyl thiabarbituric acid terminal group on each end of the indacenodithienothiophene (IDTT) core. When paired with a benchmark low-bandgap PTB7-th polymer donor, simultaneous enhancement of both ΔEDA and absorption spectral coverage was realized. The OPV devices yield a VOC of 1.01 V, corresponding to a low energy loss of 0.57 eV in around 10% efficiency single-junction NFA OPVs. The design demonstrates a working principle to concurrently increase ΔEDA and photocurrent generation for high VOC and PCE in bulk fullerene-free heterojunction OPVs.

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